終結(jié)高速轉(zhuǎn)換器帶寬術(shù)語的解析

圖1． 基帶、帶通與寬帶，F(xiàn)SAMPLE ＝ 200 MSPS。

基帶設(shè)計(jì)要求的帶寬是從直流（或低kHz／MHz區(qū)）到轉(zhuǎn)換器的奈奎斯特頻率。用相對(duì)帶寬表示的話，這意味著大約100 MHz或以下，假定采樣速率為200 MSPS。這類設(shè)計(jì)可以采用放大器或變壓器／巴倫。

帶通設(shè)計(jì)意味著在高中頻時(shí)只會(huì)使用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分（即小于奈奎斯特頻率）。例如，還是假定采樣速率為200 MSPS，可能只需要20－60MHz帶寬，以170 MHz為中心。不過，隨著新一代GSPS轉(zhuǎn)換器類型產(chǎn)品的發(fā)布，市場呈現(xiàn)出向更高中頻發(fā)展的趨勢。因此，上述示例中的數(shù)值可能會(huì)多填充一個(gè)0。本質(zhì)上講，設(shè)計(jì)人員只需利用轉(zhuǎn)換器帶寬的一小部分就能完成工作。這種設(shè)計(jì)通常使用變壓器或巴倫。不過，如果較高頻率下的動(dòng)態(tài)性能足夠并且需要增益，也可以使用放大器。

寬帶設(shè)計(jì)通常指需要全部帶寬的設(shè)計(jì)。轉(zhuǎn)換器能夠提供多少帶寬，用戶就會(huì)使用多少帶寬——供大于求！在三種設(shè)計(jì)中，這種設(shè)計(jì)的帶寬最寬，因而是最具挑戰(zhàn)性的前端設(shè)計(jì)。如果設(shè)計(jì)要求整個(gè)通帶的平坦度為0．1dB，則更具挑戰(zhàn)性。這類應(yīng)用的帶寬范圍為直流或低kHz／MHz區(qū)至＋GHz區(qū)。此類設(shè)計(jì)常常采用寬帶巴倫耦合到轉(zhuǎn)換器。

關(guān)于帶寬的說明

術(shù)語“帶寬”在工程領(lǐng)域中遭到濫用，根據(jù)應(yīng)用的不同，帶寬的含義在不同設(shè)計(jì)人員看來可能完全不同。在本文中，轉(zhuǎn)換器的全功率帶寬與轉(zhuǎn)換器的可用帶寬或采樣帶寬是不同的。全功率帶寬是轉(zhuǎn)換器用于精確捕獲信號(hào)以及內(nèi)置前端正確建立所需要的帶寬。在多數(shù)情況下，轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬目標(biāo)是在大約兩個(gè)奈奎斯特區(qū)撥入。轉(zhuǎn)換器通常也是以這種方式在其交流頻率規(guī)格范圍內(nèi)進(jìn)行表征。

設(shè)計(jì)人員在轉(zhuǎn)換器指定區(qū)域外選擇中頻并不是個(gè)明智的選擇，因?yàn)橄到y(tǒng)的交流性能結(jié)果會(huì)存在較大差異，盡管轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)手冊(cè)中說明了額定分辨率和性能，或顯示的全功率帶寬遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)換器本身的采樣帶寬（可能是其兩倍）。設(shè)計(jì)應(yīng)圍繞采樣帶寬展開。所有設(shè)計(jì)都應(yīng)當(dāng)避免使用額定全功率帶寬的某一或全部最高頻率部分，否則動(dòng)態(tài)性能（SNR／SFDR）會(huì)下降。為了確定高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器的采樣帶寬，請(qǐng)查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)，或者咨詢應(yīng)用支持人員，因?yàn)橛袝r(shí)候采樣帶寬并未明確給出。通常，數(shù)據(jù)手冊(cè)會(huì)規(guī)定甚至列出轉(zhuǎn)換器采樣帶寬內(nèi)經(jīng)過生產(chǎn)測試、能夠保證額定性能的頻率。然而，需要對(duì)行業(yè)中的這些帶寬術(shù)語做出更好的說明和定義。

了解轉(zhuǎn)換器帶寬和精度

所有的ADC都存在建立時(shí)間不精確的問題。記住，轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部前端必須具有足夠的帶寬（BW），才能精確地對(duì)信號(hào)進(jìn)行采樣。否則，累積誤差將大于上文所述的結(jié)果。一般而言，一個(gè)ADC的內(nèi)部前端必須在半個(gè)采樣時(shí)鐘周期內(nèi)建立（0．5／fs，其中fs ＝采樣頻率），這樣才能提供對(duì)內(nèi)模擬信號(hào)捕捉的精確表達(dá)。因此，對(duì)于一個(gè)12位ADC（采樣速率為2．5 GSPS，滿量程輸入范圍（VFS）為1．3 V p－p）來說，全功率帶寬（FPBW）可通過下列瞬態(tài)公式推導(dǎo)：

求解 t：

代入 τ ＝ 1／（2 × π × FPBW），一個(gè)時(shí)間常數(shù)，求解FPBW：

令 t ＝ 0．5／fs。這是樣本建立所需的時(shí)間，其中采樣周期為1／fs：

這樣會(huì)使ADC內(nèi)部前端FPBW所需的帶寬最小。轉(zhuǎn)換器內(nèi)部前端需要這一大小的帶寬，以建立至1 LSB以內(nèi)并正確采樣模擬信號(hào)。這將需要通過數(shù)個(gè)時(shí)間常數(shù)來滿足這類ADC的1 LSB精度要求，其中1個(gè)時(shí)間常數(shù)等于24 ps或：

要了解ADC滿量程范圍內(nèi)達(dá)到LSB大小要求所需的時(shí)間常數(shù)數(shù)量，就需要找出滿量程誤差％或VFSE?；? LSB ＝ VFS／（2N），其中N ＝位數(shù)；或

表1列出了不同分辨率的轉(zhuǎn)換器與各自的位數(shù)、LSB大小和VFSE的關(guān)系細(xì)分表。

表1． 轉(zhuǎn)換器分辨率明細(xì)表

通過描繪歐拉數(shù)或eτ，可以繪出一條曲線，以便每次通過時(shí)間常數(shù)都能方便地看出相對(duì)誤差。從圖2可見，12位ADC樣本建立至大約1 LSB以內(nèi)需時(shí)8．4個(gè)時(shí)間常數(shù)。

圖2． 轉(zhuǎn)換器采樣精度與時(shí)間常數(shù)數(shù)量：ADC精確建立至 1／2 LSB以內(nèi)所需要的時(shí)間常數(shù)數(shù)量。

設(shè)計(jì)人員可通過這種分析來估算轉(zhuǎn)換器能處理的最大模擬輸入頻率或采樣帶寬，并依舊建立至1 LSB誤差以內(nèi)。超出這個(gè)范圍，則ADC無法精確表示信號(hào)。因此：

記住，這里表示的是最佳情形，并假定采用單極點(diǎn)ADC前端。并非所有現(xiàn)實(shí)中的轉(zhuǎn)換器都以這種方式工作，但這是一個(gè)很好的開端。

例如，上文描述的模型最高可適用至12位。但針對(duì)14或16位以及更高位則需要采用二階模型，因?yàn)榧?xì)微的影響可使建立時(shí)間擴(kuò)展至預(yù)測的一階模型以外。

審核編輯：符乾江